JP2017118108A - フレキシブル基板 - Google Patents

Abstract

【課題】伸縮自在なフレキシブル基板を供すること。【解決手段】フレキシブル基板は、伸縮可能なシートと、前記シート上に配置された非伸縮部材と、前記シート上で前記非伸縮部材に接続され、伸縮可能なストリップとを備える。前記シートは、前記シートの伸張量が所定の値以下のとき、第１の弾性率を有し、前記シートの前記伸張量が前記所定の値を超えるとき、前記第１の弾性率よりも大きく、かつ、前記ストリップの弾性率よりも大きい第２の弾性率を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、フレキシブル基板に関する。

近年、電子デバイスの小型化及び／又は薄型化に伴い、可撓性を有したフレキシブル基板が多く用いられている。フレキシブル基板は、典型的なエレクトロニクス機器の分野以外にも種々の分野での利用が図られている。例えば、フレキシブル基板は、スマートフォン等のモバイル機器、及び、ウェアラブル機器に利用されている。

ウェアラブル機器は、測定対象（例えば人体）の可動部に無理なく装着でき、測定対象に密着してセンシングできることが求められる。従って、フレキシブル基板には、十分な伸縮性を備えていることが要求される。従来技術として、蛇行構造体を有するフレキシブル基板が知られている（特許文献１〜６参照）。

実開平１−１３５７５８号公報 特開２０００−２９４８８６号公報 特開２００４−７１５６２号公報 特開２００４−３４９００２号公報 特開２０１３−１８７３０８ 米国特許出願公開第２０１４／００２２７４６号明細書

本開示は、伸縮自在なフレキシブル基板を提供する。

本開示の一実施形態に係るフレキシブル基板は、伸縮可能なシートと、前記シート上に配置された非伸縮部材と、前記シート上で前記非伸縮部材に接続され、伸縮可能なストリップとを備える。前記シートは、前記シートの伸張量が所定の値以下のとき、第１の弾性率を有し、前記シートの前記伸張量が前記所定の値を超えるとき、前記第１の弾性率よりも大きく、かつ、前記ストリップの弾性率よりも大きい第２の弾性率を有する。

本開示の伸縮性フレキシブル基板は十分な伸縮特性を有する。

図１は、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板を模式的に示した図である。 図２Ａは、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板の配線層の一例を模式的に示した図である。 図２Ｂは、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板の配線層の一例を模式的に示した図である。 図３は、配線層と配線層にかかる力の向きの関係の一例を説明するための模式図である。 図４は、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板を模式的に示した図である。 図５Ａは、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板の配線層と電子部品の一例を模式的に示した図である。 図５Ｂは、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板の配線層と電子部品の一例を模式的に示した図である。 図６は、非線形弾性挙動と、線形弾性挙動とを示すグラフである。 図７は、蛇行状に湾曲する伸縮ストリップの伸縮挙動を説明するための模式図である。 図８は、渦巻状に湾曲する伸縮ストリップの伸縮挙動を説明するための模式図である。 図９Ａは、配線層の伸縮特性の一例を示すグラフである。 図９Ｂは、配線層の伸縮特性の一例を示すグラフである。 図９Ｃは、配線層の伸縮特性の一例を示すグラフである。 図１０は、非線形弾性層の伸縮特性の一例を示すグラフである。 図１１Ａは、ニット構造を有する繊維編物を模式的に示した図である。 図１１Ｂは、ニット構造を有する繊維編物の変形を説明するための模式図である。 図１２Ａは、ネット構造を有する繊維編物を模式的に示した図である。 図１２Ｂは、ネット構造を有する繊維編物の変形を説明するための模式図である。 図１３は、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板を模式的に示した図である。 図１４Ａは、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板の構成の一例を模式的に示した断面図である。 図１４Ｂは、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板の構成の一例を模式的に示した断面図である。 図１５は、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板の構成の一例を模式的に示した断面図である。

まず、本発明者が本開示の伸縮性フレキシブル基板を案出するに至った経緯について説明する。本発明者は、次の４つの課題を見出した。
（１）従来のフレキシブル基板は、フレキシブル基板の延在方向に伸縮可能であるものの、当該延在方向と異なる方向には伸縮しにくい。それゆえ、市場のニーズに応える程の十分な伸縮性が呈され難い。
（２）従来のフレキシブル基板は、伸縮によって応力が集中し易い箇所で破断または断線する虞がある。
（３）従来のフレキシブル基板では、高い伸縮性を確保することと、予期せぬ引張り力による配線の破断または断線を防止することを両立することが極めて難しい。
（４）従来のフレキシブル基板では、一旦伸張された後に、伸びたままの状態が維持される虞がある。

上記（３）について詳述する。フレキシブル基板は、蛇行構造体の幅を広く設計することにより、引張り方向に交差する断面の断面積が増え、基板が強化されうる。しかしながら、蛇行構造体の幅を広くすると、蛇行構造体の蛇行のための空間が小さくなり、十分な伸縮性が得られなくなる。一方、フレキシブル基板は、蛇行構造体の幅をより細くすると、蛇行構造体の蛇行のための空間を充分確保することができ、十分な伸び率が得られる。しかしながら、蛇行構造体の幅を狭くすると、引張り方向に交差する断面の断面積が減り、引張り力によって破断または断線が生じやすくなる。

上記（４）について詳述する。フレキシブル基板が小さい引張り力で容易に伸張する蛇行構造を有する場合、フレキシブル基板にかかる外力に比べて、フレキシブル基板に生じる反力（すなわち復元力）が小さくなる。そのため、一旦伸張されたフレキシブル基板は伸びたままの状態が維持される虞もある。例えば、フレキシブル基板が、人の肌にフィットして生体の信号を読み取るセンサとして用いられる場合、人体の動きにより伸びたままとなってしまうと正確なセンシングができなくなる虞がある。よって、この場合、一旦伸張しても元の形状に復元して肌にフィットし続けることが要求される。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した。その結果、伸張時に配線層の塑性変形を阻止できるフレキシブル基板を案出するに至った。このフレキシブル基板は、配線層および非線形弾性層を有する。配線層は、非伸縮部と、一端が非伸縮部に接続された伸縮ストリップとを含む。フレキシブル基板の伸張時に、非線形弾性層は、配線層の塑性変形を阻止しうる。

非伸縮部に接続された伸縮ストリップが伸び縮みすることができるため、フレキシブル基板は十分な伸縮性を有する。また、非線形弾性層が非線形な弾性を示すため、フレキシブル基板の伸張時に、配線層の塑性変形が抑止される。これによって、応力が集中し易い箇所の破断または断線が特に防止される。従って、フレキシブル基板は、高い伸縮性を有し、かつ、予期せぬ引張り力による配線層の破断または断線を防止しうる。

以下では、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板について説明する。図面に示す各種の要素は、本開示の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比および外観などは実物と異なり得る。

一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板１００は、図１に示すように、配線層１０および非線形弾性層５０を有する。配線層１０は導電配線を有する。配線層１０は非伸縮部１０Ａとそれに接続された伸縮ストリップ１０Ｂとを含む。伸縮ストリップ１０Ｂは、伸縮可能な形状を有し、これにより、配線層１０が伸縮できる。非伸縮部１０Ａと伸縮ストリップ１０Ｂは、例えば、一体的または連続的に接続されていることが望ましい。つまり、非伸縮部１０Ａと伸縮ストリップ１０Ｂとは継ぎ目なく一体化していることが望ましい。非線形弾性層５０は、配線層１０の破断または断線を防止する。言い換えると、非線形弾性層５０は、配線層１０を保護する層として機能し得る。

本実施形態における非線形弾性層５０は、本開示における「シート」の一例である。本実施形態における非伸縮部１０Ａは、本開示における「非伸縮部材」の一例である。本実施形態における伸縮ストリップ１０Ｂは、本開示における「ストリップ」の一例である。

図２Ａおよび図２Ｂには配線層１０のみが示される。図示するように、配線層１０においては、非伸縮部１０Ａが複数設けられており、隣接する非伸縮部１０Ａが伸縮ストリップ１０Ｂによって相互に接続されている。複数の非伸縮部１０Ａは二次元マトリックス状に配列されてもよく、それらの非伸縮部１０Ａの間を連結するように伸縮ストリップ１０Ｂも二次元マトリックス状に配列されてもよい。伸縮ストリップ１０Ｂは湾曲部を有することが望ましい。この場合、湾曲部の曲率が変化することによって、伸縮ストリップ１０Ｂが伸び縮みし、これにより、配線層１０が全体として伸縮性を呈する。伸縮ストリップ１０Ｂは各非伸縮部１０Ａに対して、２つ以上設けられてもよい。複数の伸縮ストリップ１０Ｂは、間隙１５を隔てて互いに離間していることが望ましい。間隙１５が大きいほど、伸縮ストリップ１０Ｂの曲率変化の自由度が大きくなり、これにより、伸縮性フレキシブル基板１００が全体として伸縮しやすくなる。

例えば、伸縮ストリップ１０Ｂは蛇行状又は渦巻き状に湾曲している。図２Ａに示される伸縮ストリップ１０Ｂは、ある平面内で、蛇行している。換言すれば、図２Ａに示される伸縮ストリップ１０Ｂは、ミアンダ形状を有している。互いに隣接する非伸縮部１０Ａは、それらの間で蛇行状に湾曲する伸縮ストリップ１０Ｂを介して接続されている。図２Ｂに示される伸縮ストリップ１０Ｂは、ある平面内で、渦を巻いている。互いに隣接する非伸縮部１０Ａは、それらの間で渦巻き状に湾曲する伸縮ストリップ１０Ｂを介して接続されている。

複数の非伸縮部１０Ａが所定のピッチで配列される場合、渦巻き状の伸縮ストリップ１０Ｂを有する配線層１０は、蛇行状の伸縮ストリップ１０Ｂを有する配線層１０よりも、大きく伸長しうる。これは、次の２つの理由による。
（１）渦巻き状の伸縮ストリップ１０Ｂの湾曲部は、蛇行状の伸縮ストリップ１０Ｂの湾曲部よりも、大きな曲率半径で湾曲する。これにより、伸縮ストリップ１０Ｂのゆとり長さをより大きく取ることができる。
（２）渦巻き状の伸縮ストリップ１０Ｂは、渦巻きがほどけるように変位するため、この変位が伸縮ストリップの伸長を助力し得る。

また、渦巻き状の伸縮ストリップ１０Ｂを有する配線層１０は、蛇行状の伸縮ストリップ１０Ｂを有する配線層１０よりも、小さい引張り力で伸張しうる。

渦巻き状の伸縮ストリップ１０Ｂは、例えば、図３に示すように、中心部（例えば非伸縮部１０Ａ）から伸びる配線を、破線矢印で示される時計周り方向に湾曲させることによって得られる。渦巻き状の伸縮ストリップ１０Ｂの曲率は、伸縮性フレキシブル基板１００の伸張に伴って、小さくなる。これにより、伸縮ストリップ１０Ｂは、非伸縮部１０Ａに接続された一端から他端に向かうにつれて、非伸縮部１０Ａの外周から離れるように変形する。渦巻き状の伸縮ストリップ１０Ｂは、非伸縮部１０Ａを半周以上囲めばよい。渦巻き状の伸縮ストリップ１０Ｂは、例えば、非伸縮部１０Ａの回りを１周以上周回していてもよく、３周以上周回していてもよい。なお、非伸縮部１０Ａの形状は、特に限定されるものではない。非伸縮部１０Ａの形状は、円形であってもよく、四角形や六角形等の多角形であってもよい。伸縮ストリップ１０Ｂの湾曲部は、曲線状にカーブしていてもよく、角張って屈曲していてもよい。

配線層１０は、導電配線を含む。例えば、配線層１０は、図２Ａ及び図２Ｂにおける部分断面図に示されるように、絶縁基材１２および導電配線１６を含む。導電配線１６は、例えば、絶縁基材１２の主面上に設けられている。言い換えると、絶縁基材１２と導電配線１６とは互いに積層されている。

絶縁基材１２は、電気的な絶縁性を有する。絶縁基材１２は、シート状であることが望ましい。絶縁基材１２は、可撓性を有することが望ましい。絶縁基材１２の材質は樹脂材であってもよい。例えば、絶縁基材１２の材質としては、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂およびエポキシ樹脂などからなる群から選択される少なくとも１種の材質を挙げることができる。

導電配線１６は、導電性を有する。導電配線１６は、薄膜状であってもよい。導電配線１６は金属材料を含有することが望ましい。導電配線１６の金属材料としては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、白金（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）および亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択される少なくとも１種を挙げることができる。導電配線１６の厚さは、例えば、５μｍ〜１０００μｍ程度であってもよく、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度であってもよく、より好ましくは５μｍ〜２５０μｍ程度であってもよい。導電配線１６は、金属箔から構成された層であってもよい。この場合、金属箔は、例えば、パターニング処理されていてもよい。

例えば、図４、５Ａ及び５Ｂに示されるように、配線層１０上に電子部品７０が設けられていてもよい。電子部品７０は、配線層１０（例えば導電配線１６）と電気的に接続される。図４、５Ａおよび５Ｂに示すように、電子部品７０は、配線層１０の非伸縮部１０Ａ上に設けられていることが望ましい。これにより、伸縮性フレキシブル基板１００の伸縮が電子部品７０へ与える影響を低減できる。電子部品７０は、エレクトロニクス実装分野で用いられている種々の電子部品であればよく、特に制限されない。例えば、電子部品７０として、半導体素子、温度センサ、圧力センサおよびアクチュエーター等を挙げることができる。半導体素子とは、例えば、発光素子、受光素子、ダイオードおよびトランジスタである。電子部品７０として、例えば、ＩＣ（例えばコントロールＩＣ）、インダクタ、コンデンサ、パワー素子、チップ抵抗、チップコンデンサ、チップバリスタ、チップサーミスタ、その他チップ状の積層フィルター、接続端子などを挙げることができる。複数種類の電子部品７０が伸縮性フレキシブル基板１００に設けられていてもよい。

非線形弾性層５０は、例えば、配線層１０を保護するための層である。非線形弾性層５０は、配線層１０と直接的または間接的に接する。図１に示されるように、配線層１０と非線形弾性層５０とは互いに積層されていてもよい。配線層１０の主面と非線形弾性層５０の主面とは、互いに対向している。配線層１０の主面とは、非伸縮部１０Ａ及び伸縮ストリップ１０Ｂが配列されている方向に広がる面である。

図６において、実線は非線形弾性層５０の伸縮特性の一例を示し、破線は比較例を示す。非線形弾性層５０は、引張りによって変形し、除荷すると実質的に元に戻る。「実質的に元に戻る」とは、完全に元の形状に戻ることだけでなく、元の形状に近づくように変形することをも含意する。すなわち、非線形弾性層５０は、弾性体である。非線形弾性層５０は、図６の実線に示すように、変形量が所定のレベルを超えると、引張りに対する反力（すなわち弾性力）が急増する。つまり、非線形弾性層５０は、そのような意味で、非線形的な弾性を示す。非線形弾性層５０の弾性率は、変形量（例えば伸張量）が所定のレベルを超えると、急激に上昇する。なお、非線形弾性層５０は、変形量（例えば伸張量）が所定のレベルを超えた後、高い弾性力を維持することが望ましい。

伸縮性フレキシブル基板１００は、非伸縮部１０Ａ及び伸縮ストリップ１０Ｂを含む配線層１０と、非線形弾性層５０とを備える。これによって、伸縮性フレキシブル基板１００が伸縮する時に、応力が集中し易い箇所の破断または断線などが防止される。換言すれば、伸縮性フレキシブル基板１００は、高い伸縮性を有し、かつ、予期せぬ引張り力による配線の破断または断線を防止できる。

例えば、非線形弾性層５０の非線形弾性は、配線層の塑性変形を防止する。つまり、伸縮性フレキシブル基板１００の伸張量が所定のレベルに達すると、非線形弾性層５０の反力（すなわち弾性力）が急増する。これによって、伸縮性フレキシブル基板１００の伸張量が、配線層１０を塑性変形させるほどの伸張量に達することを抑止することができる。

非線形弾性層５０が設けられていない伸縮性フレキシブル基板が引き伸ばされた場合を想定する。この場合、伸縮性フレキシブル基板の伸張量が大きくなるにつれて、配線層は、まず自由変形し、次いで弾性変形し、次いで、塑性変形し、最終的には破断または断線する。配線層が塑性変形すると、伸縮性フレキシブル基板の伸縮機能が損なわれる。また、配線層が塑性変形することによって、配線層の破断及び／又は断線の虞が増す。一方、本実施の形態にかかる伸縮性フレキシブル基板１００は、非線形弾性層５０を有するので、そのような配線層の塑性変形が防止されうる。

ここで、本開示における「弾性力」および「反力」は、対象となる部材の２点（例えば対向する端部）を互いに引き離す方向に一定速度で引っ張ったときの荷重に相当する。

以下では、非線形弾性層が配線層の塑性変形を阻止する作用について詳述する。まず、非線形弾性層が設けられていない伸縮性フレキシブル基板の伸縮挙動を例に挙げる。

図７は、蛇行状に湾曲する伸縮ストリップ１０Ｂの伸縮挙動の模式図である。図８は、渦巻状に湾曲する伸縮ストリップ１０Ｂの伸縮挙動の模式図である。

最初に、伸縮ストリップ１０Ｂは、無応力の状態にある。伸縮ストリップ１０Ｂが引張され始めると、まず、伸縮ストリップ１０Ｂが主に三次元的に変形する。例えば、伸縮ストリップ１０Ｂが、立体的にねじれたり、たわんだりする。このような初期の変形は、伸縮ストリップ１０Ｂの湾曲を広げるような引っ張りよりも格段に小さい引張りによって生じる。つまり、伸縮ストリップ１０Ｂに生じる反力が低い状態で、伸縮ストリップ１０Ｂを変形させることができる。“蛇行”または“渦巻き“を増してゆとりを持たせるほど、低反力で伸縮ストリップ１０Ｂを変形させやすくなる。このような、低反力で伸縮ストリップ１０Ｂを容易に変形させられる伸張量の領域を「自由変形領域」と称す。

引き続いて伸縮ストリップ１０Ｂの伸張を続けると、伸縮ストリップ１０Ｂのねじれやたわみだけでは伸張に追随できなくなり、伸縮ストリップ１０Ｂの湾曲が広がって伸張し始める。すなわち、伸縮ストリップ１０Ｂが、弾性変形し始める。このとき、伸縮ストリップ１０Ｂには、伸張量が自由変形領域内にあった場合よりも強い反力が生じる。このような、伸縮ストリップ１０Ｂが弾性変形する領域を「弾性伸張領域」と称す。伸縮ストリップ１０Ｂの伸張量が弾性伸張領域内にある場合、伸縮ストリップ１０Ｂへの引張り力を除くと、伸縮ストリップ１０Ｂは弾性変形を受ける前の形状へと戻る。

伸縮ストリップ１０Ｂの伸張をさらに続けると、伸縮ストリップ１０Ｂが塑性変形する。例えば、伸縮ストリップ１０Ｂには、銅箔などからなる導電配線１６を有する場合、導電配線１６は、その歪みが限界を超えると塑性変形する。すなわち、伸縮ストリップ１０Ｂが、塑性変形し始める。このような、伸縮ストリップ１０Ｂが塑性変形する領域を「塑性伸張領域」と称す。伸縮ストリップ１０Ｂの伸張量が塑性伸張領域に入ると、伸縮ストリップ１０Ｂは塑性変形し、伸縮ストリップ１０Ｂへの引張り力を除いたとしても元の形状に戻れなくなってしまう。

伸縮ストリップ１０Ｂの伸張をさらに続けると、伸縮ストリップ１０Ｂがほぼ伸びきって、応力が集中しやすい箇所で伸縮ストリップ１０Ｂが劣化または破断する。例えば、伸縮ストリップ１０Ｂのうちで非伸縮部１０Ａの近傍部分、急な湾曲部分、あるいは、伸縮ストリップ１０Ｂと電子部品搭載部との境界部分などで破断が生じ易い。

図９Ａ〜９Ｃは、非線形弾性層が設けられていない伸縮性フレキシブル基板における、配線層１０の一連の伸縮挙動を模式的に示す。図９Ａ〜９Ｃのグラフでは、変形量（すなわち伸張量）を横軸で表し、引張りに対する反力（すなわち弾性力）を縦軸で表している。図９Ａ〜９Ｃにおいて、「△」は、塑性変形が開始する点を示し、「×」は破断が生じる点を示す。図９Ａ〜９Ｃを参照しながら、自由変形領域、弾性伸張領域および塑性伸張領域についてさらに詳述する。

図９Ａのグラフは、配線層１０への引張り力を増大させ続けた場合における、配線層１０の反力の変化を示す。図９Ａのグラフを参照すると、自由変形領域では、配線層１０で生じる反力が極めて低く、小さい力で配線層１０が容易に変形する。弾性伸張領域では、配線層１０に元の形状へと縮もうとする反力が生じ、この反力は配線層１０の変形とともに大きくなる。塑性伸張領域に入ると、さらに反力が大きくなり、伸縮ストリップ１０Ｂがほぼ伸びきった状態となり、その後、配線層１０が破断する。

図９Ｂのグラフは、配線層１０を塑性伸張領域まで伸張した後、配線層１０が破断する前に、配線層１０への引張り力を除いた場合における、配線層１０の反力の変化を示している。上述の通り、塑性伸張領域に入ると、配線層１０の伸縮ストリップ１０Ｂが塑性変形する。そのため、引張り力を除いた後に、塑性変形した分だけ変形が残留し、伸縮ストリップ１０Ｂは元の形状まで戻らずたるんだ状態となる。

図９Ｃのグラフは、配線層１０を弾性伸張領域まで伸張した後、配線層１０の伸張量が塑性伸張領域に達する前に、配線層１０への引張り力を除いた場合における、配線層１０の反力の変化を示している。この場合、引張り力を除いた後、伸縮ストリップ１０Ｂは、その弾性に起因して元の形状に戻る。ただし、除荷時において、伸縮ストリップ１０Ｂは、完全に元の形状に戻らず、若干のたるみが残留する場合がある。これは、自由変形領域において、配線層１０に生じる反力が小さいことに起因する。

以上のように、非線形弾性層５０が設けられていない伸縮性フレキシブル基板は、大きな引張り力を受けると元の形状に戻れなくなったり、あるいは、配線層が破断したりする懸念がある。これに対して、本実施の形態に係る伸縮性フレキシブル基板１００は、非線形弾性層５０を備えることにより、この懸念が解消される。

図１０は、非線形弾性層５０の伸縮挙動（実線）と、配線層１０の伸縮挙動（破線）を示している。図１０において、「○」は、非線形弾性層５０の反力が急激に大きくなる点を示し、「△」は、配線層１０が塑性変形し始める点を示す。

図１０から分かるように、非線形弾性層５０に生じる反力（すなわち弾性力）は、伸張量が小さい領域では比較的小さく、伸張量が大きくなると急激に大きくなる。図１０において、非線形弾性層５０の反力（すなわち弾性力）が急激に大きくなるときの伸張量は、配線層１０が塑性変形し始めるときの伸張量よりも小さい。そのため、配線層１０が塑性変形に至る前に、非線形弾性層５０の反力が急激に大きくなり、それ以上に配線層１０が伸びることを抑制する。これにより、配線層１０の塑性変形または破断が防止される。このように増大した非線形弾性層５０の引張り弾性率は、配線層１０の引張り弾性率を遥かに超えるものが望ましい。また、非線形弾性層５０は、弾性率が大きくなった後は、その大きい弾性率を維持できることが望ましい。これにより、非線形弾性層５０は、伸張量が配線層１０を断線させるレベルに達することを抑止できる。

言い換えると、非線形弾性層５０は、伸張量が所定の値以下のとき、比較的低い第１の弾性率を有し、伸張量が所定の値を超えるとき、比較的大きい第２の弾性率を有する。この「所定の値」は、例えば、伸縮ストリップ１０Ｂに塑性変形を生じさせる伸張量よりも小さい。非線形弾性層５０の第２の弾性率は、伸縮ストリップ１０Ｂの弾性率よりも大きい。例えば、非線形弾性層５０の第１の弾性率は伸縮ストリップ１０Ｂの弾性率よりも小さいか同等であり、第２の弾性率は、第１の弾性率の１０倍以上である。

例えば、非線形弾性層５０の弾性率は、伸張量が比較的小さい領域（すなわち弾性率が比較的小さい領域）では、配線層１０の弾性率と同程度となっていてもよい。これによって、非線形弾性層５０は、配線層１０の弾性伸張を大きく阻害することなく、配線層１０の塑性変形を抑制できる。例えば、非線形弾性層５０の伸張量が比較的小さいとき、非線形弾性層５０の弾性率は、伸縮ストリップ１０Ｂの弾性率の０．１倍以上、４倍未満であってもよい。

例えば、非線形弾性層５０の弾性率は、配線層１０の伸張量が自由変形領域内にあるとき、配線層１０の弾性率よりも大きく、かつ、配線層１０の自由な変形を阻害しない程度に小さくてもよい。これにより、自由変形領域では配線層１０が自力で元の形状まで戻れるほどの大きな復元力を有さない場合であっても、非線形弾性層５０に生じる弾性力によって、配線層１０を元の形状まで復元させることができる。そのため、非線形弾性層５０の初期弾性率は、伸縮ストリップ１０Ｂの初期弾性率よりも高いことが望ましい。ここでいう「初期弾性率」とは、変形量が０近傍にあるときの弾性率に相当する。

非線形弾性層５０として例えば繊維布を用いてもよい。言い換えると、非線形弾性層５０は、繊維からなるシート部材であってもよい。ここでいう「繊維」は、化学繊維、天然繊維またはそれらの混合繊維であってもよい。

化学繊維は、合成繊維、半合成繊維、再生繊維および／または無機繊維であってもよい。合成繊維としては、脂肪族ポリアミド系繊維（例えば、ナイロン６繊維、ナイロン６６繊維）、芳香族ポリアミド系繊維、ポリビニルアルコール系繊維（例えば、ビニロン繊維）、ポリ塩化ビニリデン系繊維、ポリ塩化ビニル系繊維、ポリエステル系繊維（例えば、ポリエステル繊維、ＰＥＴ繊維、ＰＢＴ繊維、ポリアリレート繊維）、ポリアクリロニトリル系繊維、ポリエチレン系繊維、ポリプロピレン系繊維、ポリウレタン系繊維、フェノール系繊維およびポリフルオロエチレン系繊維などを挙げることができる。半合成繊維としては、セルロース系繊維および蛋白質系繊維などを挙げることができる。再生繊維としては、レーヨン繊維、キュプラ繊維およびリヨセル繊維などを挙げることができる。そして、無機繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維および金属繊維などを挙げることができる。

天然繊維は、植物繊維、動物繊維またはそれらの混合繊維であってもよい。植物繊維としては、綿および麻（例えば、アマ、ラミー）などを挙げることができる。動物繊維としては、毛（例えば、羊毛、アンゴラ、カシミヤ、モヘヤ）、絹および羽毛（例えば、ダウン、フェザー）などを挙げることができる。

繊維布に用いられる繊維自体は、短繊維であっても長繊維であってもよく、さらには中空繊維であってもよい。また、繊維布に用いられる繊維は、糸形態であってよく、例えば繊維を撚り合わせた撚糸の形態であってもよい。繊維、または、繊維からなる糸は、それ自体が弾性特性を有していてもよい。

繊維布は、繊維織物、繊維編物および不織布のいずれであってもよい。つまり、繊維布は、いわゆるタテ糸とヨコ糸とを交差させるように織り込んだ織物であってもよく、あるいは、糸が屈曲するように編み込まれた網物であってもよい。あるいは、繊維布は、不織布（例えば、ニードルパンチ布またはスパンボンド布）であってもよい。

非線形弾性層５０が編物構造を有していてもよい。編物構造を有する繊維布は、引っ張ると変形し、除荷すると実質的に元の形状に戻り、引っ張りによる変形量が所定のレベルを超えると反力（すなわち弾性力）が急増する。編物は繊維糸が屈曲状に絡んだ構成を有するところ、かかる屈曲の変形に起因して柔軟に伸びることができる一方、屈曲が解消されると伸びしろがなくなって伸び自体が制限されるからである。

非線形弾性層５０は、ニット構造を有するものであってもよい。図１１Ａ及び１１Ｂは、ニット構造の一例を示す。ニット構造を有する編み物生地は、隣接する繊維糸と交互に絡めながら編まれている。ニット構造において、１本の繊維糸に着目すると、図示されるように交互に蛇行しながら隣の繊維糸と絡んでいる。繊維糸が蛇行しているため、引張りに対して伸張するゆとりが十分に確保される。ニット構造は、例えば、セーターやジャージまたはメリアスシャツなどの生地として用いられている。このようなニット構造を有する繊維編物は、伸張量が比較的小さい領域では柔軟性および伸縮性に富み、伸張が進行して、繊維糸がほぼ一杯まで伸びきった状態となると、急激に反力が大きくなりそれ以上伸張し難くなる。

ニットに用いる繊維糸１本の強度は、配線層１０の強度よりも小さくてもよい。この場合、例えば、複数本の繊維糸が、１つの伸縮ストリップ１０Ｂの伸張時の塑性変形や破断を抑止できればよい。ニット構造に用いる繊維は、例えば、ナイロン繊維などの弾性の強いものであってもよい。これにより、ニット構造は、伸縮ストリップ１０Ｂを元の形状に復元させる力を有しうる。

非線形弾性層５０は、ネット構造を有するものであってもよい。図１２Ａ及び１２Ｂは、ネット構造の一例を示す。ネット構造を有する生地は、繊維糸同士を交点で結んで格子状にして、格子点をつなぐ繊維糸はゆとりを持って蛇行している。ネット構造の繊維糸は、無伸張時には蛇行しており、伸びきると急激に反力を増加させ、それ以上の伸張が難しくなる。

非線形弾性層５０は、繊維布とエラストマーとの複合体であってもよい。エラストマーは、低弾性であり、かつ、元の形状に戻る復元力を有する。そのため、繊維布とエラストマーとの複合体は、伸縮ストリップ１０Ｂの初期弾性率よりも高い初期弾性率を有しうる。そのため、この複合体は、自由変形領域にある配線層１０を元の形状へと戻すように作用し得る。エラストマーとしては、特に制限されるわけではないが、ポリウレタン材（例えば、ポリウレタンシート）を挙げることができる。複合体は、繊維布とエラストマーとが互いに層状に重なった積層体であってよく、あるいは、それらが混合された混合物であってもよい。

（伸縮性フレキシブル基板の例示的な態様）
伸縮性フレキシブル基板１００の１つの例示的な構成について詳述しておく。図１３は、渦巻状に湾曲した伸縮ストリップ１０Ｂを含む配線層１０と、繊維編物から構成された非線形弾性層５０とを備える伸縮性フレキシブル基板１００を示している。

配線層１０では、複数の非伸縮部１０Ａが二次元マトリックス状に配列され、複数の伸縮ストリップ１０Ｂがそれらの非伸縮部１０Ａの間をつないでいる。言い換えると、複数の伸縮ストリップ１０Ｂの交点に相当する位置に非伸縮部１０Ａが配置されている。複数の非伸縮部１０Ａは、島状に散在している。電子部品７０が非伸縮部１０Ａ上に搭載されている。複数の伸縮ストリップ１０Ｂは非伸縮部１０Ａを中心として渦巻き状に湾曲している。互いに隣接する非伸縮部の間では伸縮ストリップ１０Ｂが点対称状に湾曲している。つまり、伸縮ストリップ１０Ｂの湾曲方向は、隣接する２つの非伸縮部１０Ａの間で反転している。

渦巻状に湾曲した伸縮ストリップ１０Ｂを備えた配線層１０の断面模式図を図１４Ａ及び１４Ｂに示す。図示される例では、配線層１０は、導電配線１６、絶縁基材１２、導電配線１６がこの順で積層されている。例えば、絶縁基材１２としてはポリイミドフィルムを用い、導電配線１６としてはパターン形成された銅箔を用いてもよい。非伸縮部１０Ａはビアを有してもよく、このビア内に表面側の導電配線１６と裏面側の導電配線１６とを相互に電気的に接続する導電性部材１８が設けられてもよい。非伸縮部１０Ａの上には電子部品７０が搭載されている。図１４Ａ及び１４Ｂに示されるように、隣接する非伸縮部１０Ａの間では渦巻き状の伸縮ストリップ１０Ｂが隙間を開けて延在している。このような隙間は、伸縮ストリップ１０Ｂの柔軟な変形を助力する。なお、非伸縮部１０Ａと伸縮ストリップ１０Ｂとは互いに継ぎ目なく一体化されていてもよい。非伸縮部１０Ａと伸縮ストリップ１０Ｂを構成する絶縁基材１２は、１枚のフィルム（例えば、ポリイミドフィルム）をレーザー加工することによって形成されてもよい。図１４Ｂに示されるように、例えば導電配線１６を全体的に封止するような封止層８０が設けられていてもよい。

非線形弾性層５０は、繊維編物から構成されていることが望ましい。図１３に示される非線形弾性層５０は、ニット構造を有する。例えば、非線形弾性層５０と配線層１０とは、接着材を介して接合されていてもよい。

図１５には、伸縮性フレキシブル基板１００の別の構成例を示す。図１５に示される伸縮性フレキシブル基板１００では、配線層１０と繊維布５０ａとの間にエラストマー５０ｂが設けられている。言い換えると、非線形弾性層５０が繊維布５０ａとエラストマー５０ｂを含む。

エラストマー５０ｂとしては、例えば熱可塑性ポリウレタンシートを用いてもよい。熱可塑性ポリウレタンシートは、繊維布５０ａと配線層１０とを相互に接合する接着層として機能することができる。つまり、配線層１０と繊維布５０ａとの間に熱可塑性ポリウレタンシートを介在させて熱圧着に付すことによって、それらの接合を簡易的に行うことができる。

以上、一実施形態に係る伸縮性フレキシブル基板について説明してきたが、本開示はこれに限定されることなく、種々の変更が当業者によりなされうる。

例えば、非線形弾性層５０は、特に繊維布に限定されるものではない。低伸張の場合には素材がゆとりを持った構造であり低反力及び／又は低弾性力でありつつも所定の伸張率になると素材のゆとりがなくなることで引張り弾性率が急増して反力及び／又は弾性力が増す素材であれば、非線形弾性層として好適に利用できる。

本開示の伸縮性フレキシブル基板は、エレクトロニクス機器の分野、ウェアラブル機器の分野、ヘルスケア分野、医療分野および介護分野などにおいて利用可能である。

１０ 配線層
１０Ａ 非伸縮部
１０Ｂ 伸縮ストリップ
１２ 絶縁基材
１６ 導電配線
１８ 導電性部材
５０ 非線形弾性層
５０ａ 繊維布
５０ｂ エラストマー
７０ 電子部品
８０ 封止層
１００ 伸縮性フレキシブル基板

Claims (18)

1. 伸縮可能なシートと、
   前記シート上に配置された非伸縮部材と、
   前記シート上で前記非伸縮部材に接続され、伸縮可能なストリップとを備え、
   前記シートは、
   前記シートの伸張量が所定の値以下のとき、第１の弾性率を有し、
   前記シートの前記伸張量が前記所定の値を超えるとき、前記第１の弾性率よりも大きく、かつ、前記ストリップの弾性率よりも大きい第２の弾性率を有する、
   フレキシブル基板。
2. 前記シート上に配置された複数の非伸縮部材と、前記シート上で前記複数の非伸縮部材の間を接続する、伸縮可能な複数のストリップとを備え、
   前記非伸縮部材は、前記複数の非伸縮部材の１つであり、
   前記ストリップは、前記複数のストリップの１つである、
   請求項１に記載のフレキシブル基板。
3. 前記所定の値は、前記ストリップに塑性変形を生じさせる伸張量よりも小さい、
   請求項１又は２に記載のフレキシブル基板。
4. 前記第２の弾性率は、前記第１の弾性率の１０倍以上である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。
5. 前記シートの前記伸張量が前記所定の値以下のとき、前記シートの前記第１の弾性率は、前記ストリップの前記弾性率の０．１倍以上、４倍未満である、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。
6. 前記シートの初期弾性率は、前記ストリップの初期弾性率よりも大きい、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。
7. 前記ストリップは、湾曲している、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。
8. 前記ストリップは、蛇行している、
   請求項７に記載のフレキシブル基板。
9. 前記ストリップは、前記非伸縮部材を半周以上囲む渦巻き形状を有する、
   請求項７に記載のフレキシブル基板。
10. 前記非伸縮部材は、導電層を含む平板である、
    請求項１から９のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。
11. 前記ストリップは、導電配線を含む、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。
12. 前記ストリップは、絶縁性部材をさらに含む、
    請求項１１に記載のフレキシブル基板。
13. 前記シートは、繊維布を含む、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。
14. 前記繊維布は、ニット構造を有する、
    請求項１３に記載のフレキシブル基板。
15. 前記繊維布は、ネット構造を有する、
    請求項１３に記載のフレキシブル基板。
16. 前記繊維布は、エラストマーをさらに含む、
    請求項１３から１５のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。
17. 前記シート上で前記非伸縮部材に接続され、伸縮可能な絶縁性部材をさらに備え、
    前記ストリップは、前記絶縁性部材上に配置される、
    請求項１から１６のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。
18. 前記非伸縮部材の上に配置された電子部品をさらに備える、
    請求項１から１７のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。

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